基于共視原理的區域衛星授時服務平臺設計

吳文南，汪 鶴，沈 飛，李林紅

（1.江蘇北斗衛星應用產業研究院有限公司，南京 210032；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

基于共視原理的區域衛星授時服務平臺設計

吳文南1，汪 鶴2，沈 飛1，李林紅1

（1.江蘇北斗衛星應用產業研究院有限公司，南京 210032；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

本文通過對GNSS共視法時間傳遞（GNSS CV）的基本原理的研究，根據實際應用情況，基于國家授時中心的中國標準時間UTC（NTSC），提出了基于共視法時間傳遞的區域衛星授時服務平臺設計方案，實現區域精密時間服務。此方案既可以減輕用戶對NTSC服務器的壓力，同時也有利于降低用戶的網絡成本。

GNSS共視；授時；區域授時平臺

1 引言

時間是表征物質運動的最基本物理量[1]，它為一切動力學系統和時序過程的測量及研究提供必不可少的時間坐標，在基礎研究、應用研究以及國民經濟和國防建設中都有廣泛應用，授時服務已經成為國計民生中不可或缺的公益工程，它甚至攸關國家安全。一個國家必須有獨立自主的統一標準時間，并采用統一的時間規范來制約政府和社會，以保證國家、社會運轉的統一性、有序（連續）性和安全性。目前，中國的國家標準時間是中國科學院國家授時中心（NTSC）建立并保持的原子時間標準。

我國自主研發的北斗衛星導航系統不受他國控制和限制，其可用性和安全性更有保障。采用以北斗、GPS互備的冗余技術進行高精度的時間比對和傳遞，可彌補長久以來使用GPS作為惟一時鐘源而存在的風險，解決了共視技術中的時鐘模塊可靠性問題。

2 共視法基本原理

目前，國際上主要的授時方法有通過微波的衛星授時、通過地面無線電傳播的長短波授時和通過數據交換的網絡/電話授時[2]三類。其中，衛星授時以美國的GPS和我國的北斗導航定位系統為代表，這種授時方法覆蓋范圍廣，精度能達到50ns，是目前精度最高的授時方法[3]。

GNSS衛星共視（GNSS CV）是一種高精度遠程時間傳遞技術，具有比對精度高、覆蓋范圍廣、使用費用低、可連續運行等特點[4]，GNSS共視技術由美國標準技術研究院（NIST）于20世紀90年代提出。如果共視比對的兩者之中是保持國家標準時間的實驗室，共視的另一方就與國家標準時間實現了精確同步。基于上述思路，國家授時中心在國內首次提出基于GNSS CV進行授時服務的方法，利用互聯網技術進行數據的實時傳輸和在線處理，快速測定用戶鐘與國家標準時UTC（NTSC）之間相對鐘差，實現用戶鐘與UTC（NTSC）高精度時間同步。

共視法的含義是指：在地球上的兩個原子鐘，能夠在任何地點，在同一時間接收同一個衛星時間信號進行比對。目前，共視法也是國際計量局（BIPM）用于國際原子時合作的基本手段之一[5]。

設A地點接收衛星信號的時刻為TA；B地點接收衛星信號的時刻為TB；GNSS衛星信號時刻為TGNSS；dA和dB分別為A，B兩站與衛星間的路徑時延，主要為電離層和對流層時延；兩站在同一時刻觀測同一顆衛星S。

GNSS共視測量基本原理如下：地球上A，B兩地的GNSS時間接收機在同一個共視時間表作用下，對同一顆GNSS衛星的時間信號進行同步接收，每臺接收機將收到的GNSS秒脈沖送至時間間隔計數器，與本地原子鐘輸出的秒脈沖進行比較，在A地得到本地時刻TA與TGNSS差ΔTAS，同時，在B地得到TB與TGNSS差ΔTBS。然后，可以通過通信網把其中一方的數據傳到另一方的計算機中，進行兩式相減，即可得到兩地的兩臺原子鐘之間的時間差。共視可以完全抵消星鐘誤差[6]，部分抵消電離層延遲和對流層延遲誤差。當A，B兩地位于相距不遠的同一區域內時，dA和dB幾乎相等，dA-dB可近似為零；或當A，B兩地的電離層及對流層延遲可以準確計算時，則兩地原子鐘之間的時間差可準確得到。

3 系統設計

3.1 系統總體設計

江蘇北斗衛星應用產業研究院有限公司擬建立江蘇北斗衛星授時服務平臺，該服務平臺連接國家授時中心，與之共同構成區域精密時間服務系統。江蘇北斗衛星授時服務平臺作為區域授時服務中心，為華東地區客戶提供精密時間服務。

整個精密時間服務系統由主站觀測單元、客戶觀測單元、系統管理單元、數據處理單元和江蘇北斗衛星授時服務平臺五大部分組成，如圖1所示。其中主觀測單元包括GNSS CV觀測設備、標準時間、頻率信號等，其主要功能為測量UTC（NTSC）與GPS，BDS，GLONASS衛星鐘的時間差。客戶端觀測單元由GNSS CV觀測設備和本地時間源組成，其主要功能為測量本地時間與GNSS衛星鐘的時間差。系統管理單元包括客戶數據提交、數據處理模塊調用、處理結果投送模塊，由數據存儲設備、網絡寬帶、服務器及數據系統等硬件與軟件構成，其功能包括觀測數據的獲取、IGS精密星歷等產品的定時下載、數據處理結果的投送等。數據處理單元包括數據預處理和比對數據處理兩部分，數據預處理模塊的功能是對客戶提交的數據進行預處理，判斷客戶提交數據的類別和覆蓋時間，并從本地數據庫中調取相應的觀測數據和IGS相關產品。比對數據處理模塊的功能是根據預處理結果，對客戶觀測數據和本地觀測數據進行GNSS共視比對計算。江蘇北斗衛星授時服務平臺通過網絡專線連接國家授時服務中心，實現國家授時中心標準時間信號的異地復制，有效保證區域授時系統高精度、高穩定、安全可靠的工作。

3.2 系統工作介紹

江蘇北斗衛星授時服務平臺根據功能劃分可分為數據提交模塊、數據預處理模塊、比對數據處理模塊、結果自動投送模塊、數據管理模塊，如圖2所示。

⊙ 數據提交模塊：客戶登錄系統，向區域授時服務平臺服務器提交數據。

⊙ 數據預處理模塊：收到客戶提交的數據后，進行數據的初步篩選工作，判斷客戶提交數據的類別。

⊙ 比對數據處理模塊：客戶數據預檢驗，共視比對計算，結果評估。

⊙ 結果自動投送模塊：客戶數據處理完成后，將相應的結果返回給客戶。

⊙ 數據管理模塊：管理客戶提交的相應數據和傳輸自NTSC服務器的各類數據。

系統單次運行流程如圖3所示。用戶登錄江蘇北斗衛星授時服務平臺后，向平臺發出授時服務請求，并通過數據提交共視觀測數據，系統收到用戶提交的服務請求和數據后，啟動在線授時服務處理工作，包括：調用數據預處理模塊，判斷數據類型、觀測時間、準備主站觀測數據等；調用數據比對處理模塊，進行數據比對處理；調用結果投送模塊，將共視比對結果發送給用戶；實現用戶鐘與UTC（NTSC）的精確同步。

4 結束語

共視法只可用于少數用戶之間的時間比對或時間同步，不具有同時為無限用戶提供服務的特點[7]。建立區域衛星授時服務平臺，通過網絡專線連接NTSC服務器，實現時間傳遞與同步，用戶通過接入區域衛星授時服務平臺，即可實現與國家授時中心的時間比對。采用此種方式，不僅可以將原本需要接入NTSC的用戶大量轉移到區域授時服務平臺，大大減輕用戶對NTSC服務器的壓力，同時也有利于降低用戶的網絡成本。更重要的是，江蘇區域衛星授時服務平臺通過長期的數據收集，建立了華東地區大氣延遲的精確模型，通過接入該平臺即可計算得到大氣延遲量，從而準確得到用戶鐘與平臺之間的時間差，為精確授時提供了有力保障。

[1] 漆貫榮．時間科學基礎[M]．北京：高等教育出版社，2006

[2] 向渝，華宇，董道鵬 等．基于電話授時技術的時間同步終端設計[C]．第三屆全國虛擬儀器大會，2008

[3] 程華軍．基于GNSS CV的精密時間服務系統的設計與實現[D]．中國科學院研究生院，2011

[4] 高玉平，王正明，漆溢．GPS共視比對技術在綜合原子時中的應用[J]．時間頻率學報，2004

[5] 彭嘯虎，米亮．GPS共視授時中的多徑效應分析[J]．電腦知識與技術，2013. 9(1)

[6] 王正明．GPS共視資料的處理和分析[J]．天文學報，2001. 42(2)

[7] 許龍霞．基于共視原理的衛星授時方法[D]．中國科學院大學，2012

Regional Time Service Platform Design based on GNSS CV

Wu Wennan1, Wang He2, Li Linhong1, Shen Fei1
(1.Jiangsu BDS Application Industry Institute, Nanjing, 210032; 2. NARI Technology Co., Ltd., Nanjing, 211106)

Through the research on GNSS CV, a proposal of regional time service platform was proposed based on the China Standard Time of National Time Service Center to realize precise time service. This proposal can reduce the pressure on the servers of NTSC brought by users, but also help to reduce the cost of users needed.

GNSS common-view; time service; regional time service platform

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.06.002

TN96文獻標示碼：A

1672-7274（2015）06-0027-04

2013年度電子信息產業發展基金項目。

吳文南，男，1982年生，高級工程師，主要從事衛星授時研究。